舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

摘要： 为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围，设计了大尺度舱段模型，并开展了舱室内爆毁伤试验，试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式，分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理，据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明：（1） 舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤，形成多种破坏模式； （2） 舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元； （3） 建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏，理论计算结果与试验结果吻合较好。

关键词： 舱室内爆；结构损伤；冲击波载荷；准静态压力载荷

中图分类号： O383 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

半穿甲反舰导弹是当前攻击水面舰船的主要武器，其对舰船的毁伤破坏主要依托强侵彻性能进入舰船内部发生舱室内爆，与敞开环境相比，舱室内爆下舰船结构同时承受着爆炸冲击波、准静态压力、高速破片群等载荷的耦合作用，会形成更严重的结构损伤。舰船结构设计时如何评估舱室内爆下的结构损伤范围并针对性地开展结构防护设计，是当前舰船设计人员较关心的问题。

现阶段，针对舱室内爆下舰船结构的毁伤问题已开展了较多的研究，并取得了较丰硕的成果。加筋板是舰船结构最基本的结构单元，早期研究主要集中在对规则板架结构在冲击载荷下的动响应研究。Nurick 等[1-2] 对爆炸载荷下方板的变形和失效进行了实验研究，详细阐述了3 种失效模式，同时指出边界条件、冲击波的反射效应等因素对板架结构动力响应有很大的影响，并基于塑性动力学原理得出了板架在爆炸作用下的变形预报公式。Jacob 等[3] 开展了空中局部爆炸作用下矩形板的实验研究，对比了不同厚度、长宽比和炸药形状等对钢板最终变形的影响，并得到了修正的无量纲数。Wierzbicki[4] 对接触爆炸下固支圆板的花瓣开裂过程进行了理论分析和试验研究，考虑了应变率效应，基于能量原理得到了破口半径的计算方法。对于舰艇内部爆炸而言，作用于舱室结构的载荷较复杂，不仅包括冲击波载荷，还包括准静态压力载荷和高速破片群载荷。侯海量等[5] 采用数值模拟方法对典型舱室结构在舱内爆炸载荷下的失效模式进行了分析，研究提出舱室板架结构主要有4 种失效模式，并提出加强筋布置在迎爆面有利于削弱角隅处的冲击波汇聚作用。孔祥韶[6] 对舱内爆炸作用下含液多舱室结构的动态响应进行了实验和数值仿真分析，重点讨论了爆炸冲击波与破片联合作用载荷及舱内液体的影响；李营等[7] 开展了舱室模型在带壳战斗部舱室内爆下的毁伤特性试验研究，指出在舱内爆炸作用下舱室结构遭受爆炸冲击波、高速破片群载荷、准静态压力载荷的耦合作用，其中越靠近战斗部的位置受冲击波与破片载荷的联合作用越明显。侯海量等[8] 分析了舱内爆炸载荷的特点，并通过数值仿真手段讨论了结构的破坏模式，发现舱内爆炸时角隅处的载荷强度远大于其他位置，舱内结构破坏的主要模式为沿角隅位置发生撕裂。现阶段的研究基本集中在试验与仿真分析，对舱室内爆下舰船结构损伤计算方法的研究较少。

本文中，通过开展舱段模型的内爆试验，基于试验后舱室结构的破坏范围及破坏模式，建立舱室内爆载荷下结构损伤变形的计算方法。